CN103021472A - 平面并联式三自由度精密定位工作台 - Google Patents

Abstract

一种平面并联式三自由度精密定位工作台，有分别对应的设置在三角形结构的基座的三个等边内侧的结构完全相同的三个柔性支链，设置在三个柔性支链内侧且位于基座的中心的动平台，基座、三个柔性支链和动平台为一体形成，三个柔性支链分别与基座为柔性连接，且三个柔性支链的位移输入端分别对应基座的三个夹角，动平台与三个柔性支链为柔性连接，基座的每一个夹角内侧与所对应的一个柔性支链之间形成有凹槽，凹槽内水平设置有压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器的一端与柔性支链的位移输入端之间为赫兹接触，压电陶瓷驱动器的另一端通过螺栓固定连接在基座上。本发明结构紧凑、控制灵活、静动态刚度高、运动精度高、低惯量、无误差积累、无摩擦和无发热、响应速度快。

Description

平面并联式三自由度精密定位工作台

技术领域

本发明涉及一种三自由度精密定位工作台。特别是涉及一种平面并联式三自由度精密定位工作台。

背景技术

微/纳米测量与表征是生物、医学、材料、力学和物理等学科重要研究内容，表面测量与表征系统和方法已成当今世界研究的热点之一。压电陶瓷驱动的微/纳定位系统具有分辨率高、响应速度快、无摩擦和无发热问题等优点，广泛应用于微/纳操作、测量和加工领域。根据运动形式，压电陶瓷驱动的微/纳定位系统可分为直接驱动和蠕动驱动两种。直接驱动的微/纳定位系统的缺点为行程较小，如广泛应用于原子力显微镜的压电陶瓷管的最大行程100μm左右，无法满足大范围表面测量与表征的需求。蠕动式定位系统可以实现大行程运动，但是其位移分辨率较低且输出力较小，从而影响了工程实践中的应用。

为了克服压电陶瓷驱动器输出位移小的缺点，通常采用放大机构增加微/纳定位系统的输出位移。杠杆机构是最简单的位移放大结构，杠杆机构可以串接在一起得到更高的位移放大率，但是杠杆机构位移输出点出仍存在寄生旋转运动。SR（Scott-Russell）机构的显著特点是位移输出点的直线运动，跟杠杆机构一样，SR机构也可以嵌套起来得到更高的位移放大率，但是，SR机构通常应用在单自由度定位系统中，SR机构的结构复杂性限制了它在平面多自由度定位系统中的应用，因此，当前的研究集中在单个SR机构的设计、建模和控制上。

平面精密定位工作台系统设计可分为串联式和并联式，串联式结构的不对称性影响了在精密定位平台中的应用，并且串联式结构会有误差累积，并联式结构跟串联式结构相比具有更好的稳定性和动态特性，但是并联式结构必须通过解耦器或者控制算法来进行位移解耦。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有结构紧凑、高精度、高刚度、低惯量、无误差积累、响应速度快、无摩擦和无发热的平面并联式三自由度精密定位工作台。

本发明所采用的技术方案是：一种平面并联式三自由度精密定位工作台，包括：正三角形结构的基座，分别对应的设置在基座的三个等边内侧的结构完全相同的三个柔性支链，设置在三个柔性支链内侧且位于基座的中心的动平台，所述的基座、三个柔性支链和动平台为一体形成，其中，所述的三个柔性支链分别与基座为柔性连接，且三个柔性支链的位移输入端分别对应基座的三个夹角，所述的动平台与所述的三个柔性支链为柔性连接，所述的基座的每一个夹角内侧与所对应的一个柔性支链之间形成有凹槽，所述的凹槽内水平设置有用于驱动柔性支链的压电陶瓷驱动器，所述的压电陶瓷驱动器的一端与所述的柔性支链的位移输入端之间为赫兹接触，所述的压电陶瓷驱动器的另一端通过螺栓固定连接在基座上。

所述的压电陶瓷驱动器与所述的柔性支链相对应的一端连接有球形接头，所述的压电陶瓷驱动器是通过所述的球形接头与所述的柔性支链的位移输入形成赫兹接触。

所述的柔性支链包括有：SR位移放大机构，通过第一圆形弹性铰链连接在SR位移放大机构的位移输入端的复合平行板移动副，通过第二圆形弹性铰链连接在SR位移放大机构的位移输出端的连杆，其中，所述的复合平行板移动副的位移输入端与所述的压电陶瓷驱动器端部的球形接头之间为赫兹接触，并且，所述的复合平行板移动副为H形结构，所述H形结构的上、下两端分别构成柔性板簧，所述的该柔性板簧与所述的基座一体连接，所述的连杆的另一端通过第三圆形弹性铰链与所述的基座一体连接，SR位移放大机构的固定端通过第四圆形弹性铰链与所述的基座一体连接。

所述的复合平行板移动副的轴线和所述的SR位移放大机构的位移输入点处的第一圆形弹性铰链的轴线共线。

所述的第一圆形弹性铰链的轴线与所述的第二圆形弹性铰链的轴线相垂直。

所述的第二圆形弹性铰链的轴线和所述的第三圆形弹性铰链的轴线与所述的连杆的轴线共线。

所述的三个压电陶瓷驱动器通过SR位移放大机构并联驱动所述的动平台。

本发明的平面并联式三自由度精密定位工作台，结构紧凑、控制灵活、静动态刚度高、运动精度高、低惯量、无误差积累、无摩擦和无发热、响应速度快。本发明对于微/纳米测量与表征技术的发展具有重要的理论意义和工程实用价值。

附图说明

图1是本发明的平面并联式三自由度精密定位工作台整体结构示意图；

图2是本发明的平面并联式三自由度精密定位工作台柔性结构示意图；

图3是本发明的平面并联式三自由度精密定位工作台柔性支链示意图。

图中

1：基座               2：压电陶瓷驱动器

3：球形接头           4：柔性支链

5：动平台             6：凹槽

7：螺栓               8：通孔

41：SR位移放大机构    42：复合平行板移动副

43：第一圆形弹性铰链  44：第二圆形弹性铰链

45：连杆              46：第三圆形弹性铰链

47：柔性板簧          48：第四圆形弹性铰链

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的平面并联式三自由度精密定位工作台做出详细说明。

如图1、图2所示，本发明的平面并联式三自由度精密定位工作台，包括：正三角形结构的基座1，分别对应的设置在基座1的三个等边内侧的结构完全相同的三个柔性支链4，设置在三个柔性支链4内侧且位于基座1的中心的动平台5，所述的基座1、三个柔性支链4和动平台5为一体形成，其中，所述的三个柔性支链4其初始位置相对正三角形中心对称，分别与基座1为柔性连接，且三个柔性支链4的位移输入端分别对应基座1的三个夹角，所述的动平台5与所述的三个柔性支链4为柔性连接，所述的基座1的每一个夹角内侧与所对应的一个柔性支链4之间形成有凹槽6，所述的凹槽6内水平设置有用于驱动柔性支链4的压电陶瓷驱动器2，所述的压电陶瓷驱动器2的一端与所述的柔性支链4的位移输入端之间为赫兹接触，所述的压电陶瓷驱动器2的另一端通过螺栓7固定连接在基座1上。所述的三个压电陶瓷驱动器2通过SR位移放大机构并联驱动所述的动平台5。

所述的压电陶瓷驱动器2与所述的柔性支链4相对应的一端连接有球形接头3，所述的压电陶瓷驱动器2是通过所述的球形接头3与所述的柔性支链4的位移输入端形成赫兹接触，即是通过球形接头3以小面积赫兹接触方式与所述柔性支链中的复合平行板移动副42接触。所述的压电陶瓷驱动器2是分别以过盈装配方式安装在所述的基座1和所述的复合平行板移动副42之间，实现预紧。

如图3所示，所述的柔性支链4包括有：SR位移放大机构41，通过第一圆形弹性铰链43连接在SR位移放大机构41的位移输入端的复合平行板移动副42，通过第二圆形弹性铰链44连接在SR位移放大机构41的位移输出端的连杆45，其中，所述的复合平行板移动副42的位移输入端与所述的压电陶瓷驱动器2端部的球形接头3之间为赫兹接触，并且，所述的复合平行板移动副42为H形结构，所述H形结构的上、下两端分别构成柔性板簧47，所述的该柔性板簧47与所述的基座1一体连接，所述的连杆45的另一端通过第三圆形弹性铰链46与所述的基座1一体连接，SR位移放大机构41的固定端通过第四圆形弹性铰链48与所述的基座1一体连接。通过SR位移放大机构42增加压电陶瓷驱动器2的输出位移。

所述的复合平行板移动副42的轴线和所述的SR位移放大机构41的位移输入点处的第一圆形弹性铰链的轴线共线。

所述的第一圆形弹性铰链43的轴线与所述的第二圆形弹性铰链44的轴线相垂直。

所述的第二圆形弹性铰链44的轴线和所述的第三圆形弹性铰链46的轴线与所述的连杆45的轴线共线。

本发明的平面并联式三自由度精密定位工作台，是采用7076-T6航空铝板切割加工而成的集成式结构，工作台通过所述的三个压电陶瓷驱动器的协调运动可以实现动平台沿X、Y轴的平动和绕Z轴的转动。

Claims (7)

1.一种平面并联式三自由度精密定位工作台，其特征在于，包括：正三角形结构的基座（1），分别对应的设置在基座（1）的三个等边内侧的结构完全相同的三个柔性支链（4），设置在三个柔性支链（4）内侧且位于基座（1）的中心的动平台（5），所述的基座（1）、三个柔性支链（4）和动平台（5）为一体形成，其中，所述的三个柔性支链（4）分别与基座（1）为柔性连接，且三个柔性支链（4）的位移输入端分别对应基座（1）的三个夹角，所述的动平台（5）与所述的三个柔性支链（4）为柔性连接，所述的基座（1）的每一个夹角内侧与所对应的一个柔性支链（4）之间形成有凹槽（6），所述的凹槽（6）内水平设置有用于驱动柔性支链（4）的压电陶瓷驱动器（2），所述的压电陶瓷驱动器（2）的一端与所述的柔性支链（4）的位移输入端之间为赫兹接触，所述的压电陶瓷驱动器（2）的另一端通过螺栓（7）固定连接在基座（1）上。

2.根据权利要求1所述的平面并联式三自由度精密定位工作台，其特征在于，所述的压电陶瓷驱动器（2）与所述的柔性支链（4）相对应的一端连接有球形接头（3），所述的压电陶瓷驱动器（2）是通过所述的球形接头（3）与所述的柔性支链（4）的位移输入端形成赫兹接触。

3.根据权利要求1或2所述的平面并联式三自由度精密定位工作台，其特征在于，所述的柔性支链（4）包括有：SR位移放大机构（41），通过第一圆形弹性铰链（43）连接在SR位移放大机构（41）的位移输入端的复合平行板移动副（42），通过第二圆形弹性铰链（44）连接在SR位移放大机构（41）的位移输出端的连杆（45），其中，所述的复合平行板移动副（42）的位移输入端与所述的压电陶瓷驱动器（2）端部的球形接头（3）之间为赫兹接触，并且，所述的复合平行板移动副（42）为H形结构，所述H形结构的上、下两端分别构成柔性板簧（47），所述的该柔性板簧（47）与所述的基座（1）一体连接，所述的连杆（45）的另一端通过第三圆形弹性铰链（46）与所述的基座（1）一体连接，SR位移放大机构（41）的固定端通过第四圆形弹性铰链（48）与所述的基座（1）一体连接。

4.根据权利要求3所述的平面并联式三自由度精密定位工作台，其特征在于，所述的复合平行板移动副（42）的轴线和所述的SR位移放大机构（41）的位移输入点处的第一圆形弹性铰链的轴线共线。

5.根据权利要求3所述的平面并联式三自由度精密定位工作台，其特征在于，所述的第一圆形弹性铰链（43）的轴线与所述的第二圆形弹性铰链（44）的轴线相垂直。

6.根据权利要求3所述的平面并联式三自由度精密定位工作台，其特征在于，所述的第二圆形弹性铰链（44）的轴线和所述的第三圆形弹性铰链（46）的轴线与所述的连杆（45）的轴线共线。

7.根据权利要求1所述的平面并联式三自由度精密定位工作台，其特征在于，所述的三个压电陶瓷驱动器（2）通过SR位移放大机构并联驱动所述的动平台（5）。

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